林英姿 王 宇

(1:吉林建筑大學松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130118;2:吉林省城市水資源與水環(huán)境修復工程實驗室，長春 130118;3:吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，長春 130118)

目前，常規(guī)水處理工藝中最常見的消毒方式即氯消毒，其優(yōu)點在于價格低廉、操作簡單、效果好，因此，自來水水質安全的一項重要指標即是水中的余氯濃度．我國最新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中明確規(guī)定，管網末梢水中余氯濃度不小于0．05mg/L．但是，供水管網錯綜復雜，支管繁多，經過消毒后的自來水流經如此龐大的管網后，達到用戶處的水質并不一定完全都能達到國家標準，這是由于管網中各種復雜的反應使得余氯濃度在不同程度上有所下降．因此，確定影響因素并對其影響情況進行分析研究，對保障飲用水的水質安全具有重要意義．氯在供水管網中的衰減情況可分為主體水衰減和管壁衰減．主體水衰減是指氯與存在于自來水中的微生物、有機物和無機物等相互反應而造成的衰減;管壁衰減是指氯與附著在管道上的微生物、沉淀物等相互反應而引起的衰減，管壁衰減還認為與管道本身的材質也有一定的關系．本文主要研究余氯在主體水中的衰減情況，針對管壁衰減的情況，由于各管道的物理化學狀況不同，實際中很難對每個管段進行實地測量研究，因此需結合編程軟件VC++6．0和EPANET［1］的編輯程序對其進行研究校正．

1 實驗材料與方法

1．1 實驗儀器

便攜式余氯測試儀;標準水銀溫度計;pH測試儀;總有機碳(TOC)分析儀．

1．2 實驗方法

在供水管網中，影響主體水反應的主要因素有:溫度(t)、初始氯質量濃度(C0)、pH和TOC．本文通過研究當其他條件相同時，改變其中的一個影響因素，求出主體水反應系數(kb)，以確定這4個影響因素對余氯在主體水中的衰減情況有何作用．

傳統(tǒng)的余氯模擬方法將氯衰減過程視為符合一級動力學的變化規(guī)律［2］，即:

積分可得:

則:

其中，Ct為t時刻的氯質量濃度，mg/L;C0為初始氯質量濃度，mg/L;t為時間，h;kb為主體水余氯衰減系數，h-1．因此，可根據公式(3)求出余氯在主體水中的衰減系數．

本次實驗所需水樣取自A市X水廠，使用的玻璃儀器均用蒸餾水清洗干凈并自然風干，實驗過程中將分別只改變某一變量，以確定其對主體水余氯衰減系數kb的影響情況．

2 結果與分析

2．1 初始氯濃度的影響

投加不同量的氯，將對主體水中余氯的衰減情況有直接影響．通過改變氯的投加量，來測定不同初始濃度下的kb值．實驗條件為:溫度為17℃，pH為7．3，TOC為2．3mg/L，向水樣中加入次氯酸鈉溶液來控制不同的初始氯質量濃度．實驗結果如圖1所示，通過曲線擬合分析發(fā)現，kb與C0之間呈線性關系．

由曲線可明顯看出，對于同一水樣，當其他條件相同時，初始氯濃度越高，氯衰減速率越快;而初始氯濃度越低，氯衰減速率越慢．這是由于氯與水體中的微生物、有機物和無機物等會發(fā)生很多復雜反應，反應物的初始濃度影響了一些反應的發(fā)生，在初始氯濃度高時，相對較難與氯反應的物質也參與了復合反應，與初始濃度較低時相比，副反應所造成的氯衰減速率較為明顯，所以消耗了較多的氯［3］．

圖1 初始氯濃度和衰減速率

2．2 溫度的影響

供水管網中，溫度的變化也會影響水中余氯的衰減速率，尤其是在北方城市，一年四季的溫度變化較大．因此，研究溫度對主體水余氯衰減情況的影響尤為重要．一般來說，可用Arrhenius方程來描述溫度t與主體水反應系數kb的關系，即:

其中，A為與溫度無關的常數;R為氣體常數;E為反應的活化能，kJ/mol;t為溫度，℃．

實驗條件為:初始氯濃度為 0．79mg/L，pH 為 7．3，TOC為2．3mg/L，溫度由恒溫箱控制．實驗結果如圖2所示．通過曲線擬合分析發(fā)現，kb與t之間呈線性關系．溫度對余氯衰減速率常數的影響很明顯．在本次試驗中，溫度從4℃升至30℃，kb值從0．020 5升至0．041 0，可見溫度越高，余氯在水中衰減的越快．

將實驗數據代人公式(4)中，求得反應的活化能E=23 145．7J，指前因子 A=399．1，所以得到不同溫度下 kb的經驗公式為:

圖2 溫度和衰減速率常數的關系

值得注意的是:氯與主體水中的各種物質之間的反應是復雜反應，存在多個平行反應，所以，對于不同水源的水質，氯在水中發(fā)生的反應也不相同，因而，其總反應的活化能也存在差異．

2．3 pH 的影響

本實驗通過改變pH值的大小，來研究pH對余氯在主體水中的衰減有何影響．實驗條件為:溫度為17℃，初始氯濃度為0．79mg/L，TOC為2．3mg/L，實驗控制的pH值均在飲用水限制的pH范圍內．實驗結果如表1所示，從表1中可看出，pH值從弱酸性變化到弱堿性，主體水反應系數kb的變化并不明顯，因此，可以認為pH的變化對主體水反應系數kb的影響不大．

表1 pH和衰減速率常數的關系

2．4 TOC 的影響

氯在水中的消耗除了受處理工藝影響，也受到原水和處理水組分的影響．水處理過程改變了飲用水各組分的含量，從而可能改變水體對氯的消耗量．因此，建立余氯衰減模型時，很有必要找出那些反映水質特征變化的參數．通常用TOC來衡量水中的有機物含量［4］．實驗條件為:pH 為7．3，初始氯濃度為0．79mg/L，溫度17℃，TOC值通過加水稀釋來改變，但同時需調整pH值和初始氯濃度以保證其不變．實驗結果如圖3所示，從圖中可以看出，kb和TOC之間呈指數線性關系，關系式可表示為kb=0．011 8TOC00．3318．

在本次試驗中，TOC 從0．75mg/L 升至2．3mg/L，kb值從0．010 9升至0．015 5，可見TOC越大，余氯在水中衰減得越快．

圖3 TOC和衰減速率常數的關系

3 結論

(1)從以上試驗數據可知，構建余氯衰減動力學模型時可采用一級動力學模型進行模擬，模擬結果與實際吻合良好;

(2)在供水管網中，不同的變化因素皆會影響到余氯的衰減，溫度、初始氯質量濃度和TOC均會對kb造成不同程度的影響，而pH對kb影響不大;

(3)經過對影響因素的分析可得:kb與C0和t之間呈線性關系，kb與TOC之間呈指數線性關系．在建立供水管網的水質模型時，若將各個水質參數的影響都考慮在內，則可以使模型具有較高的準確度，有效地確定主體水反應系數kb，可以使模型對水質的模擬效果較好地接近實測值，有效地模擬實際管網中的水質變化;

(4)在實際應用中，應根據各個管網的實際情況，針對不同地域的差異，測定不同的水質參數，從而確定模型參數，使模型能夠準確有效地反映實際管網的水質變化．

［1］李紅艷，呂 謀，王夢琳，張坤明．供水管網中余氯衰減情況的試驗研究及分析［J］．給水排水，2010，36(5):163．

［2］羅旖旎，黃賽琴，何文杰，趙洪賓，熊震湖，陰沛軍，孫雨石．余氯在主體水中衰減情況的分析［J］．哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版)，2006，22(5):39．

［3］徐洪福，趙宏賓，張金松，尤作亮，任月明，王宇峰．輸配水系統(tǒng)中水體余氯的衰減規(guī)律研究［J］．中國給水排水，2003，19(8):17．

［4］周建華，趙洪賓，薛 罡．配水管網中與有機物反應的余氛衰減動力學模型［J］．環(huán)境科學，2003，24(3):45-49．